螺旋增壓式串聯(lián)旋流器分離性能試驗(yàn)研究

(大慶油田 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

水力旋流器因其設(shè)備體積小、分離高效、維修成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、環(huán)保等多重領(lǐng)域[1-2]。在其應(yīng)用過程中，為適應(yīng)不同的分離介質(zhì)以及工況，演變出了多種結(jié)構(gòu)形式的旋流器。對(duì)處理量要求較高時(shí)，采用多組旋流單體并聯(lián)的方式，在保障處理精度的同時(shí)提高設(shè)備處理能力[3]。針對(duì)氣-液、固-液、液-液、氣-液-固等不同分離介質(zhì)工況，研究人員設(shè)計(jì)出了合理的旋流分離結(jié)構(gòu)，并取得了可觀的應(yīng)用效果[4-6]。然而，隨著環(huán)保要求的不斷提升，對(duì)旋流分離這種非完全分離的物理方法的分離精度要求也逐漸升高。近幾年，兩級(jí)甚至多級(jí)串聯(lián)旋流器的研究及應(yīng)用，因其可以在保障旋流單體處理量的同時(shí)，提高旋流分離精度受到廣泛關(guān)注[7]。趙傳偉等[8-9]提出了一種可用于井下油水分離的兩級(jí)串聯(lián)旋流器，并開展了模擬及試驗(yàn)研究；李楓[10]等通過將兩根旋流單體通過管線串聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)旋流器的串聯(lián)，并開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其分離性能進(jìn)行評(píng)估，得出串聯(lián)旋流器可大幅降低底流排出液的含油率的結(jié)論；王羕[11]提出了一種軸向進(jìn)液形式的兩級(jí)串聯(lián)旋流器結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)選及流場(chǎng)特性分析，模擬結(jié)果呈現(xiàn)出較好的分離效果。本文以螺旋增壓式串聯(lián)旋流器為研究對(duì)象，針對(duì)其分離性能及適用性開展數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究，對(duì)其分離性能及應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試及評(píng)價(jià)，對(duì)螺旋增壓式串聯(lián)旋流器進(jìn)一步的推廣應(yīng)用起到一定的積極作用。

1 結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)

螺旋增壓式串聯(lián)旋流器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由一級(jí)旋流器、二級(jí)旋流器以及過渡結(jié)構(gòu)3部分組成。油水兩相流由入口軸向進(jìn)入一級(jí)旋流分離器內(nèi)部，經(jīng)過螺旋增壓流道時(shí)，由軸向運(yùn)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)換成切向運(yùn)動(dòng)，形成旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，此時(shí)密度較輕的油相在離心的作用下向軸心運(yùn)移，水相向邊壁運(yùn)移；在內(nèi)錐的作用下油相由溢流口排出，富水相由一級(jí)旋流器底流口運(yùn)移至過渡結(jié)構(gòu)后進(jìn)入二級(jí)旋流器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)二級(jí)的油水分離；最終水相由底流口排出，油相由二級(jí)旋流器溢流口排出，實(shí)現(xiàn)油水兩相的二次分離。

圖1 軸入式兩級(jí)串聯(lián)旋流器結(jié)構(gòu)示意

一級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖2所示。二級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖3所示。螺旋增壓式串聯(lián)旋流器主要參數(shù)如表1。

圖2 一級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

圖3 二級(jí)旋流器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

表1 螺旋增壓式串聯(lián)旋流器主要參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

利用Gambit軟件創(chuàng)建流體域幾何模型，采用六面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分，如圖4所示。經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后，選擇網(wǎng)格數(shù)為420 792時(shí)的流體域模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖4 幾何模型網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

數(shù)值模擬的流體介質(zhì)為油水混合液，其中水為連續(xù)相，密度為998.2 kg/m3，黏度為0.001 mPa·s；油為離散相，密度為889 kg/m3，黏度為1.06 mPa·s。入口邊界條件為速度入口(Velocity)，出口邊界條件為自由出口(Outflow)，含油體積分?jǐn)?shù)為2%，處理量2.4～7.2 m3/h，分流比19%～34%。采用多相流混合模型(Mixture)計(jì)算油水兩相分布，選用壓力基準(zhǔn)算法隱式求解器穩(wěn)態(tài)求解，湍流計(jì)算模型為Reynolds應(yīng)力方程模型(Reynolds stress model，RSM)，SIMPLEC算法用于進(jìn)行速度壓力耦合，墻壁為無滑移邊界條件，動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率為二階迎風(fēng)離散格式，收斂精度設(shè)為10-6，壁面為不可滲漏、無滑移邊界條件。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

借助旋流器分離性能試驗(yàn)臺(tái)，開展螺旋增壓式串聯(lián)旋流器分離性能室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)其分離效率及適用性進(jìn)行評(píng)估，試驗(yàn)流程如圖5所示。

圖5 室內(nèi)試驗(yàn)流程

試驗(yàn)時(shí)，油水兩相分別置于水罐及油罐內(nèi)，水相通過螺桿泵泵入試驗(yàn)系統(tǒng)，油相通過油泵泵入，通過控制泵的轉(zhuǎn)速及閥門開度來控制進(jìn)液量。油水兩相在靜態(tài)混合器內(nèi)完成充分混合后，由旋流器入口進(jìn)入樣機(jī)內(nèi)，油相由溢流口排出樣機(jī)，水相經(jīng)底流口排出裝置，油水兩相均進(jìn)入廢液回收池內(nèi)回收處理。其中入口及出口處均設(shè)有流量計(jì)及壓力表，通過讀取表中數(shù)值，確定入口進(jìn)液量及分流比，并通過調(diào)整閥門開度，完成流量及分流比的控制。室內(nèi)試驗(yàn)過程中，處理量2.4～7.2 m3/h、分流比19%～34%。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析螺旋增壓式串聯(lián)旋流器對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)采出液的分離效果，在油井上開展分離性能測(cè)試。試驗(yàn)工藝如圖6所示，主要由井口采油樹、工藝管匯及串聯(lián)旋流樣機(jī)3部分組成。工藝管匯由閥門、電磁流量計(jì)、壓力表、接樣閥及管線組成，用來連接旋流樣機(jī)及采油井口法蘭，并完成入口、溢流及底流液流量與壓力的計(jì)量及調(diào)節(jié)。旋流器入口連接井口油管，溢流口及底流口分別連接套管，完成采出液的計(jì)量、分離及回注。通過調(diào)節(jié)管匯中的閥門，控制旋流器的進(jìn)液量及分流比。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工藝

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)連接方式如圖7所示，采出液進(jìn)入旋流器分流后回注至油套環(huán)空。打開油管出口處閥門，使采出液進(jìn)入試驗(yàn)管匯內(nèi)，調(diào)節(jié)旋流器入口閥門，控制入口流量、分流比與數(shù)值模擬參數(shù)相同，分別取樣，分析處理量及分流比對(duì)旋流樣機(jī)分離性能的影響。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中調(diào)整處理量為2.4～7.2 m3/h，分流比為19%～34%，分析該旋流器的分離效率變化情況。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)連接方式

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 數(shù)據(jù)處理

在室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中，為了減少隨機(jī)誤差對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性造成不良影響，每個(gè)操作參數(shù)下均取樣3組，并運(yùn)用含油分析儀對(duì)入口、底流口及溢流口所接樣液的含油體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分別測(cè)量，取3組樣液含油體積分?jǐn)?shù)的平均值作為最終結(jié)果，將結(jié)果帶入式(1)完成旋流器分離效率的計(jì)算。

(1)

4.2 處理量對(duì)分離性能的影響

數(shù)值模擬時(shí)，通過控制混合液在旋流器入口處的速度控制入口進(jìn)液量，由式(2)計(jì)算出處理量分別為2.40、3.36、4.80、5.76、7.20 m3/h時(shí)旋流器入口處的速度值，以此來作為入口邊界條件。

Q=vi·A

(2)

模擬得到兩級(jí)旋流器內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)分布隨處理量的變化云圖如圖8所示。通過該云圖可以看出，在研究范圍內(nèi)隨著入口進(jìn)液量的逐漸升高，一級(jí)旋流器溢流口底部軸心位置油核位置油相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。當(dāng)處理量為2.4 m3/h時(shí)，一級(jí)旋流器最大油相體積分?jǐn)?shù)為0.15，二級(jí)溢流出口截面油相體積分?jǐn)?shù)為0.05。當(dāng)處理量增大到7.2 m3/h時(shí)，一級(jí)旋流器最大油相體積分?jǐn)?shù)達(dá)0.35，二級(jí)旋流器最大油相體積分?jǐn)?shù)為0.25。在兩級(jí)分離過程中，一級(jí)旋流器對(duì)油相分離效果較為明顯，二級(jí)旋流器主要起到降低底流口含油的凈化作用。

圖8 處理量對(duì)油相體積分?jǐn)?shù)分布影響

室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出，入口進(jìn)液量在2.4～7.2 m3/h變化時(shí)，螺旋增壓式串聯(lián)旋流器的試驗(yàn)效率與模擬效率對(duì)比如圖9所示。模擬結(jié)果顯示，隨著旋流器處理量的增大，分離效率呈指數(shù)型增長(zhǎng)。處理量低于4.8 m3/h時(shí)，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果均與模擬結(jié)果相一致，隨著入口進(jìn)液量的增大，分離效率呈現(xiàn)出了上升趨勢(shì)。但當(dāng)入口進(jìn)液量大于4.8 m3/h時(shí)，室內(nèi)試驗(yàn)效率與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效率值均有所降低，進(jìn)液量為4.8 m3/h時(shí)，達(dá)到了螺旋增壓串聯(lián)旋流器的效率最大值。其原因是數(shù)值模擬過程中忽略了液滴間的碰撞以及湍流作用對(duì)油滴的破碎，致使油品乳化的可能；而試驗(yàn)時(shí)，隨著入口進(jìn)液量的逐漸增大，旋流器內(nèi)部湍流作用逐漸增強(qiáng)，致使油品乳化增大，分離難度增加從而使旋流器的分離效率降低。同時(shí)可以看出，在不同處理量時(shí)，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果均較現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效率略高，這是因?yàn)槭覂?nèi)試驗(yàn)時(shí)采用的是自來水與齒輪油的混合液，而在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)為油田采出液，采出液黏度較自來水略高，從而增大了旋流分離難度，致使分離效率較室內(nèi)試驗(yàn)值略低。

圖9 處理量對(duì)分離效率影響曲線

4.3 分流比對(duì)分離性能的影響

數(shù)值模擬過程中，設(shè)置溢流分流比分別為25%、30%、35%、40%、45%；室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)溢流分流比為25%～45%；固定旋流器入口進(jìn)液量為最佳處理量4.8 m3/h。分流比對(duì)螺旋增壓式兩級(jí)串聯(lián)旋流器的分離效率的影響曲線如圖10所示。

圖10 分流比對(duì)分離效率的影響曲線

由圖10可以看出，無論是模擬值還是試驗(yàn)值，隨著分流比的逐漸增大，旋流器的分離效率均呈現(xiàn)出了先升高后降低的趨勢(shì)，也就是說存在一個(gè)最佳的分流比值，使旋流器處于最佳的分離性能。試驗(yàn)值及模擬值均在當(dāng)分流比為32%時(shí)達(dá)到了分離效率的最大值，說明本文研究的螺旋增壓式串聯(lián)旋流器的最佳分流比為32%。試驗(yàn)結(jié)果與模擬值呈現(xiàn)出較好的一致性。

5 結(jié)論

1) 室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)處理量在2.4～7.2 m3/h變化時(shí)，隨著處理量的逐漸增大，螺旋增壓式串聯(lián)旋流器的分離效率先升高后降低，并在入口進(jìn)液量為4.8 m3/h時(shí)達(dá)到效率最大值；繼續(xù)增加進(jìn)液量會(huì)加重乳化，使分離效率有所降低。螺旋增壓式串聯(lián)旋流器的最佳處理量為4.8 m3/h，最佳分離效率為98.7%。

2) 隨著分流比的增大，分離效率的模擬值與試驗(yàn)值均呈現(xiàn)出了先升高后降低的趨勢(shì)，并在分流比為32%時(shí)達(dá)到了分離效率的最大值。說明螺旋增壓式串聯(lián)旋流器的最佳溢流分流比為32%。